结构稳定
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2023年3月2日发(作者：清十二帝)正四面体的结构与稳定性
江苏省如皋市丁堰中学冒春建226521
物质的组成、结构决定物质的性质。如果某物质具有稳定的空间构型，就有稳定的性质。
那么怎么样的空间构型才是稳定的呢？按照价键理论，只要化学键的键角方向与其成键原子
的价电子云在空间的伸展方向一致，则成键原子间的作用力最强烈，而成键电子与成键电子
之间的排斥力最小（即通常所说的“键角张力”），非成键原子或原子团之间的空间距离最大，
达到最大程度的舒展，使非成键原子或原子团间的空间位阻最小，具有这样的结构其内能最
小，结构稳定。
正四面体结构是中学生所遇化学物质中最常见的空间构型之。例如，原子晶体中的金刚
石、晶体硅、水晶等，它们的熔沸点高、硬度大，通常情况下很难跟一般的化学试剂反应，
表现出较强的稳定性；分子晶体中的甲烷、四氯化碳等，它们在通常情况下与大多数化学试
剂如强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂等都不起反应，也表现出较强的稳定性。这是什么原
因呢？因为在这些物质中，碳原子、硅原子都是以四个sp3杂化轨道与其相邻的四个原子形
成典型的共价键基团“CC4”、“SiSi4”、“SiO4”或小分子“CH4”、“CCl4”，它们的键角方向与
其中心原子的四个sp3杂化轨道的空间伸展方向一致，均为109°28′，不存在“键角张力”。
并且它们的成键原子的电子云之间达到最大程度的重叠，键能大，内能低，结构稳定，所以
它们的性质也稳定。
我们知道，浓硫酸中+6价的硫具有强氧化性，而稀硫酸中同样为+6价的硫却没有氧化
性，这是为什么呢？在浓硫酸中，+6价的硫绝大多数是以H
2
SO
4
分子形式存在，而H
2
SO
4
分子的空间构型是不规则的四面体，在H
2
SO
4
分子中O—S—O键的键角与硫原子的四个sp3
杂化轨道的空间伸展方向（夹角为109°28′）不一致，化学键之间存在较强的“键角张力”，
内能较大。并且四个S—O键的键长不等，使位于中间的+6价硫原子的周围空间相对来说
有一定的空隙，易受到具有还原性微粒的攻击，夺得电子，从而表现出氧化性。
在稀硫酸中，+6价的硫原子是以自由移动的SO
4
2-离子形式存在，而SO
4
2-离子的空间
构型是正四面体，所有的S—O键都是沿着硫原子的四个sp3杂化轨道在空间的伸展方向成
键，不存在化学键之间的“键角张力”，四个S—O键的键长、键能完全相同，四个氧原子均
匀地、等距离地分布在硫原子周围，使位于正四面体中心的+6价硫原子难以被其它原子或
原子团攻击，也就没有得电子的可能性，故稀硫酸中+6价的硫没有氧化性。
又如，氨气和硝酸中的氮元素分别处于最低价态-3价和最高价态+5价，按理说，前者
具有较强的还原性，后者具有很强的氧化性，两者相遇应发生强烈的氧化还有反应，而事实
上，它们之间发生的是非氧化还原反应（简单的化合反应），这又是什么原因呢？这是由于
NH
3
分子中的氮原子在成键时的四个sp3杂化轨道有一个被自身的孤对电子占领，当它遇到
H+后很快形成N→H配位键，变成NH
4
+离子。而NH
4
+离子的空间构型又是正四面体，四
个N—H键的键长、键能均完全一样，键角均为109°28′，与N原子的四个sp3杂化轨道
的夹角完全吻合，不存在“键角张力”；四个氢原子也均匀地分布在氮原子周围，使位于中心
的-3价氮原子难以被其它原子或原子团进攻。故氨气在遇到硝酸、浓硫酸等酸性强氧化剂
时，表现不出还原性。但是，当NH
3
在一定条件下，遇到CuO、Cl
2
等氧化剂时又表现出一
定的氧化性。这是因为NH
3
分子中，N原子的四个sp3杂化轨道中有一个被孤对电子占用，
根据价电子对互斥原理，N—H键间的夹角受孤对电子的排斥挤压，键角不再是109°28′，
而是107°，故NH
3
分子中氮原子的周围空间不是被氢原子均匀包围，氮原子的价电子云有
了一定程度的“裸露”，较易受到其它氧化性微粒的进攻，从而表现出一定的还原性。
也许有人要问：白磷分子不也是正四面体结构吗？为何白磷的性质又很活泼呢？在白
磷分子中每个磷原子用它的3个p轨道与另外三个磷原子的p轨道间形成三个σ键时，这种
纯p轨道间的键角应为90°，实际上却是60°，所以P
4
分子具有较强的“键角张力”，这种
张力的存在使每一个P—P键的键能减弱，易于断裂，从而导致白磷在常温下具有较高的化
学活性。
综上所述，当物质具有体心正四面体结构时，其中心原子在成键时的价电子云伸展方
向与它所形成的化学键方向一致，非成键原子间呈最大程度的舒展，不存在“键角张力”，内
能最低，结构稳定，决定着其性质亦稳定。
参考资料：1、《无机化学》上、下册/北京师范大学无机化学教研室等编*3版*
——北京：高等教育出版社，1992.9(2000重印).
2、《物质结构》/潘道皑等编*2版*
——北京：高等教育出版社，1989.5(1999重印).